Réalisation d’un onduleur monophasé avec un bras … · topologies d'onduleurs à structure...

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIREMINISTERE DE L'ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE

SCIENTIFIQUE

UNIVERSITE DES FRERES MENTOURI CONSTANTINEFACULTE DES SCIENCES DE LA TECHNOLOGIE

DEPARTEMENT D'ELECTROTECHNIQUE

N° d'ordre : ……..……..Série : ……………

Projet de Fin d'EtudesEn vue de l’obtention du diplôme:

MASTER EN ELECTROTECHNIQUE

Réalisation d’un onduleurmonophasé avec un bras

redondantPrésenté par : dirigé par

Kheireddine CHETTIH Pr. A . KHEZZAR

Soutenu le : 17 Juin 2015Promotion : 2015

Dédicace

Je dédie ce modeste travail à :

Ma mère, Ma tante

Mes frères, ma sœur,

a Toute ma famille.

ainsi qu’a tous mes amis

qui m’ont aidé en contribuant à

l’aboutissement de ce mémoire.

Enfin je souhaite à toute la promotion 2015

un avenir prospère plein de réussite et de

succès.

Remerciements

Je remercie avant tout Dieu Tout Puissant de

m’avoir donné la santé et le courage et la patience et

surtout la volonté durant toutes ces années d’étude.

J’adresse mes profonds remercîment à mon

encadreur Pr.A. KHEZZAR ainsi qu’aux tous les

enseignants d’ELECTROTECHNIQU

SOMMAIREIntroduction Générale ............................................................................................5

Chapitre I : GENERALITE SUR LES ONDULEUR MONOPHASES

I.1. Introduction.......................................................................................................................... 11

I.2. L’onduleur de tension ........................................................................................................... 11

I.2.1 onduleur autonome ........................................................................................................ 11

I.2.2. Onduleur non autonome ............................................................................................... 11

I.3. Généralités sur les onduleurs monophasés .......................................................................... 12

I.3.1. Structure et principe de fonctionnement ...................................................................... 12

I.3.2. Choix des interrupteurs.................................................................................................. 13

I.4. Les Stratégies de commande ............................................................................................... 14

I.4.1. Commande pleine onde................................................................................................. 15

I.4.2. Commande décalée........................................................................................................ 16

I.4.3. MLI (sinus-triangle) ....................................................................................................... 16

I.4.4 La MLI Vectorielle............................................................................................................ 17

I.5. Les applications ..................................................................................................................... 17

I.5.1. Contrôle de la vitesse de rotation des machines à courant alternatif........................... 18

I.5.2. Les alimentations de secoures ....................................................................................... 18

I.5.3. Transports ferroviaires................................................................................................... 19

I.5.4. Transports aériens.......................................................................................................... 19

I.6. Conclusion............................................................................................................................. 19

Chapitre II : continuité de service des convertisseurs monophasés

II.1. Introduction ......................................................................................................................... 21

II.2. Convertisseurs à structure tension tolérant les défauts de semi-conducteurs ................... 21

II.3. étude statistique .................................................................................................................. 21

II.4. 1. Structures de connexion secours ................................................................................. 23

II.4. 2. Méthode de fonctionnement....................................................................................... 24

II.5. Détection de défaut au niveau d’un semi-conducteur à partir de la tension...................... 25

II.5.1. Défaut de type "circuit-ouvert"..................................................................................... 25

II.5.2. Défaut de type "court-circuit"...................................................................................... 26

II.5. Détection de défaut par un capteur de courant .................................................................. 27

II.6. Conclusion............................................................................................................................ 27

Chapitre III: Description sur la carte ARDUINO et la commande numérique

III 1. Introduction........................................................................................................................ 29

III 2. Types de commande .......................................................................................................... 29

III 2. 1. Commande analogique .............................................................................................. 29

III 2. 2. Commande numérique............................................................................................... 30

III 3. Description sur la carte ARDUINO...................................................................................... 31

III 3.1. Partie matérielle.......................................................................................................... 31

III 3.2. Partie logicielle ............................................................................................................ 32

III 4. La carte ARDUINO mega..................................................................................................... 32

III 4.1. Les caractéristiques de la carte ARDUINO mega......................................................... 33

III 4.2. La programmation....................................................................................................... 34

III 5. Création un signal MLI à partir de l’ARDUINO.................................................................... 35

III 5.1. Principe de création .................................................................................................... 35

III 5.2. La méthode de création .............................................................................................. 36

III 6. Conclusion .......................................................................................................................... 37

Chapitre IV : Simulation et réalisation pratique

IV.1. Introduction ........................................................................................................................ 39

IV.2. Simulation de l’onduleur par MATLAB................................................................................ 39

IV.2.1. Schéma de montage .................................................................................................... 40

IV.2.2. Résultats de simulation................................................................................................ 40

IV.2.3. Commande MLI............................................................................................................ 41

IV.2.4. Le fonctionnement de l’onduleur en présence d’un défaut CC................................... 41

Figure IV.4 : le courant et la tension de l’onduleur avant et après CC ....................................... 42

IV.2. Simulation de l’onduleur monophasé avec bras redondant par MATLAB......................... 42

IV.3. Réalisation de l’onduleur monophasé avec bras redondant.............................................. 44

IV.3.1. La structure de l’onduleur ........................................................................................... 44

IV.3.1.a. La carte de commande (génération des signaux) ..................................................... 45

IV.3.1.b. La partie commande rapprochée ............................................................................. 45

IV.3.1.b.1. Circuit d’isolation ................................................................................................... 46

IV.3.1.b.2. Circuit de commande des MOSFETs (driver) ......................................................... 46

Figure IV.12 : signaux sortent du Driver................................................................................. 47

IV.3.1.b.3. Création du temps mort ........................................................................................ 47

IV.3.1.c. La partie puissance.................................................................................................... 48

IV.4 La partie pratique................................................................................................................ 49

IV.4.1 circuit imprimé............................................................................................................. 49

IV.5. impression du circuit et construire la carte finale ............................................................. 50

IV.5. Conclusion........................................................................................................................... 50

Conclusion générale……………………………………………………………………………….……………..51

Références Bibliographiques

Introduction

Générale

Ces dernières années, les domaines de l’électronique de puissance se sont

développés considérablement et, offrent un potentiel énorme pour la conversion

d’énergie électrique. La recherche dans ce domaine considère plusieurs aspects,

notamment les topologies des convertisseurs, les structures et les performances des

interrupteurs de puissance et ainsi que les techniques de commande

Les convertisseurs statiques monophasés à structure tension sont des

éléments essentiels de nombreux systèmes d'électronique de puissance tels que les

variateurs de vitesse, les alimentations sans interruption et les filtres actifs. La sécurité de

ces systèmes, leur fiabilité, leurs performances, la qualité de l’énergie et la continuité

de service constituent aujourd’hui des préoccupations majeures dans le domaine de

l’énergie. Les défaillances d’un convertisseur statique, qu’elles proviennent des drivers

de sa commande rapprochée, d’un des composants de puissance commandables,

conduisent à la perte totale ou partielle du contrôle des courants de phase. Ces

défaillances peuvent provoquer de graves dysfonctionnements du système, voire

conduire à sa mise hors tension. En outre, si le défaut n'est pas rapidement détecté

et compensé, il peut dans certains cas mettre en danger le système. Par conséquent,

afin d'empêcher la propagation de défauts aux autres composants et assurer la

continuité de service en toutes circonstances en présence d’une défaillance du

convertisseur, des méthodes efficaces et rapides de détection et de compensation de

défaut doivent être mises en œuvre.

L’objectif principal du présent mémoire du projet de fin d'étude est l’étude d’un

convertisseur statique monophasé à structure tension. Ce convertisseur doit assurer la

continuité de service, en mode normal, en présence de défauts éventuels d’un semi-

conducteur. Ce convertisseur monophasé peut être indifféremment mis en œuvre dans

toute application de conversion de l’énergie électrique.

L’implantation de l’algorithme de commande dans ce travail est faite sur une

carte numérique ARDUINO de type MEGA 2560, celle-ci est utilisée pour générer les signaux

de commande (nous allons utiliser la commande MLI sinus-triangulaire) des interrupteurs

MOSFETs de l’onduleur.

CHAPITRE I

Généralitéssur les onduleurs monophasés

Chapitre 1

I.1. IntroductionL'augmentation des puissances commutées, la facilité de contrôle et le coût réduit des

composants semi-conducteurs de puissance depuis moins d'une dizaine d'années ont

conduit à l'utilisation de convertisseurs de puissance dans un nombre d'applications toujours

croissant. Cette montée en puissance a également ouvert un champ de nouvelles topologies

pour les applications en électronique de puissance.

Parmi les différentes topologies de convertisseurs statiques, il y a une structure de

base dans plusieurs applications industrielles, l’onduleur de tension.

I.2. L’onduleur de tensionL’onduleur de tension est un convertisseur statique qui permet de fournir une tension

alternative d'amplitude et de fréquence réglables à partir d’une source de tension continue.

Il existe plusieurs centaines de schémas d`onduleurs, chacun correspondant à un type

d`application déterminé ou permettant des performances recherchées. il existe deux

topologies d'onduleurs à structure tension : l’onduleur à trois bras et l’onduleur à deux

bras

Les structures des convertisseurs nous conduisent à distinguer deux types d’onduleurs

Les onduleurs de tension Les onduleurs de courant

I.2.1 Onduleur autonomeUn onduleur est dit autonome s’il utilise l’énergie d’un circuit auxiliaire propre

à lui pour la commutation des IGBTs ou d’autre semi-conducteurs, dans ce cas, nous

commandons la fréquence de l’onde de tension de sortie [5, 6].I.2.2. Onduleur non autonomeC'est le nom donné au montage redresseur tout thyristors qui en commutation

naturelle assistée par le réseau auquel il est raccordé, permettent un fonctionnement

en onduleur. À la base du développement des entraînements statiques à vitesse variable

pour moteurs à courant continu et alternative, cyclo-convertisseurs, onduleurs de courant

pour machines synchrones et asynchrones, jusqu'à des puissances de plusieurs MW, ce type

de montage est progressivement supplanté, au profit de convertisseurs à IGBT ou GTO, [5,

6].

Chapitre 1

I.3. Généralités sur les onduleurs monophasésI.3.1. Structure et principe de fonctionnementIl comporte quatre interrupteurs de puissance désignés par Q1, Q2, Q3 et Q4.

L'analyse de cette structure montre à l'évidence qu'il est possible d'imposer aux bornes de la

charge un courant et une tension u de forme alternative Le montage consiste deux

bras chaque bras est composé de deux étages d’interrupteurs. Chaque étage comporte

deux composants semi-conducteurs (transistors IGBT ou MOSFET) avec une diode en

antiparallèle comme dans la Figure I.1 où :

T1, T2, T3, T4 : Transistors de puissance.

D1, D2, D3, D4 : Diodes de puissance.

Figure I.1 : structure monophasée : a) symbole

b) onduleur en pont complet

Signaux de commande et signal de sortir

Le tableau suivant résume le fonctionnement de l’onduleur monophasé :

Chapitre 1

Tableau 1 : fonctionnement de l’onduleur a deux bras

On doit noter qu'une telle structure permet d'imposer en fait trois niveaux de tension,

c’est-à-dire u = E, u = −E ainsi que, u = 0, ce dernier niveau de tension correspond à une

phase de roue libre, sans échange d'énergie entre les deux sources. Suivant le type de

commande adopté, ce troisième niveau peut être ou non mis à contribution [1].I.3.2. Choix des interrupteursLes composants de l’électronique de puissances (interrupteurs) sont déterminés

par les niveaux de la puissance et la fréquence de commutation. En règle générale, plus les

composants sont rapides, plus la puissance commutée est faible et inversement. À titre

indicatif, les transistors MOSFET sont considérés comme des composants très rapides,

mais de puissance relativement faible.

Les transistors bipolaires sont moins rapides que les transistors MOSFET

mais davantage plus puissants (quelques kHz à une dizaine de kW). Les transistors IGBT sont

des composants de gamme standard (jusqu'à 20 kHz à une des dizaines de kW). Les

thyristors GTO commutent très lentement les grandes puissances. Ces composants sus

indiqués sont du type commandable à l’ouverture et à la fermeture; ce qui n’est pas le cas

pour le thyristor classique Figure I.2

Chapitre 1

Figure I.2 : choix des composants selon la puissance et la

Fréquence

I.4. Les Stratégies de commandeOn peut, à présent, envisager les différentes commandes possibles pour un

onduleur de tension monophasée. Le principe de commande d’un onduleur monophasée

présenté sur la figure I.3 valable pour un bras de commutation

Figure I.3 : le principe de commande d’un bras

D’onduleur

Chapitre 1

Le principe de la commande est de comparer un signal de modulation à

un signal de type «triangle» ou « dent de scie » notée Sp appelée la porteuse. Le résultat

de cette comparaison crée un signal de commande pour les gâchettes des interrupteurs

(MOSFET) d’une façon complémentaire. Dans ce cas, doit donc être selon toute logique de

doubler la chose pour obtenir la commande de deux bras de commutation. La commande

décrite ici est sous sa forme la plus complexe, dans la mesure où les deux bras de

commutations du convertisseur peuvent être commandés de manière indépendante.

Quand bien même la porteuse est identique pour les deux bras, deux signaux de commandes

indépendants sont générés pour commander les deux bras. Pour un onduleur de tension

monophasée, on distingue principalement deux types de modulation:

Les modulations à rapport cyclique fixe (plaine onde, décalée), ou le rapport cycliquede chacune des cellules de commutation est maintenu constant.

Les modulations de largeur d’impulsion (MLI), ou le rapport cyclique estvariable, sinusoïdalement pour un grand nombre d’applications [1].I.4.1. Commande pleine onde

Les commandes sont déduites de la comparaison entre le signal constant Scst et de

porteuse Sp Figure I.4 (a), Le résultat de cette comparaison donne un signal de

commande Scm Figure I.4 (b).

Figure I.4 : commande pleine onde

Tout croisement des signaux de Scst avec la porteuse Sp se traduit par un changement

de l’état des interrupteurs du bras de commutation.

Scst ≥ p l’interrupteur Q1 amorcé, Q2 bloqué. Scst ≤ p l’interrupteur Q2 amorcé, Q1

bloqué.

On donne la tension de la charge uc a pour valeur moyenne :

Chapitre 1

Ucmoy = T [EαT – E( 1 − α )T] = (2α – 1) E

Où : α = rapport cycliqueI.4.2. Commande décaléeDans ce cas la Figure I.5, la commande de fermeture d’un interrupteur ne coïncide

plus avec la commande d’ouverture de l’interrupteur placé sur le même bras.

Figure I.5 : la commande décalée

Avec cette technique de commande, chaque interrupteur fonctionne pendant une

période t0 de tell sorte que on obtient une tension aux bornes de la charge de trois niveaux

comme dans la figure I.5I.4.3. MLI (sinus-triangle)Les commandes sont déduites de la comparaison entre le signal variable Svar

(sinusoïdal d’amplitude variable et de fréquence f qui détermine la fréquence de la tension

de sortie) et de porteuse Sp (triangulaire d’amplitude fixe et de fréquence très élevée).

Le résultat est un chronogramme de commande Scm Figure I.6.

Le réglage en amplitude et en fréquence de la tension de sortie de l’onduleur est défini

par le coefficient de réglage en tension (représentant le rapport de l’amplitude de la

tension de référence à la valeur crête de la porteuse), et l’indice de modulation

(donnant le rapport des fréquences de la porteuse et de la référence) [2, 3].

Pour notre projet, on va faire cette technique de commande numériquement par une

carte ARDUINO comme on expliquera dans le chapitre suivant

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Chapitre 1

Ucmoy = T [EαT – E( 1 − α )T] = (2α – 1) E
















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Chapitre 1

Ucmoy = T [EαT – E( 1 − α )T] = (2α – 1) E
















Chapitre 1

Figure I.6 : la commande MLI sinus-triangleI.4.4 La MLI VectorielleL’utilisation des techniques numériques permet le recours à des stratégies de

modulation triphasée spécifiques, non déduites des techniques analogiques initialement

conçues en monophasé. Parmi ces techniques numériques on trouve la modulation

vectorielle (Space Vector Modulation). qui représente la méthode de modulation ou de

commande la plus adoptée au contrôle des machines à courant alternatif beaucoup

plus les machines asynchrones.

En effet, contrairement à la modulation sinusoïdale, la MLI vectorielle ne s’appuie pas

sur des calculs séparés des modulations pour chacun des bras de l’onduleur. Mais elle traite

les signaux directement dans le plan diphasé de la transformée de Concordia. Donc le

principe de base de cette modulation consiste à reconstruire le vecteur de tension de

sortie de l’onduleur à partir des huit vecteurs de tension correspondant aux huit états

possibles de l’onduleur de tension.

I.5. Les applicationsLes nombreux domaines à entraîner une utilisation accrue des onduleurs, on

trouve principalement Les onduleurs à fréquence fixe à commutation forcée alimentés

Chapitre 1

directement à partir du réseau à travers un redresseur avec filtrage, soit à partir d'une

batterie d’accumulateurs, ils constituent à ce titre [4, 5]I.5.1. Contrôle de la vitesse de rotation des machines à courant alternatifLa vitesse d’un moteur à courant alternatif est fixée par la pulsation des

courants statiques. Le contrôle de la vitesse du moteur se réalise par action

simultanée sur la fréquence et sur l'amplitude de la tension (Figure I.7) Il faut donc

redresser la tension du réseau puis l’onduler à la fréquence désirée.

Figure I.7 : chaine de la commande de MS

I.5.2. Les alimentations de secouresL'onduleur est indispensable pour éviter la perte d’informations en cas de panne du

secteur pour assurer la continuité de l’alimentation des machines à partir de batteries

(Figure I.8) Il faut placer un onduleur [6].

Figure I.8 : alimentation de secoure

Chapitre 1

I.5.3. Transports ferroviairesDans ce type de transport le constituant principal qui crée le mouvement est

les machines asynchrone. Pour contrôler la vitesse de rotation de ces dernières, on doit

faire varie la fréquence de l'alimentation, cela est réaliser par un onduleur de tension par

exemple: le TGV ou tramway [1].

I.5.4. Transports aériensTout avion produit lui-même l'énergie électrique dont il a besoin pour le

fonctionnement de ces équipements de bord. Par exemple AIRBAS 380 met en œuvre un

réseau de bord la fréquence entre 380Hz et 800Hz. Cela est réaliser par des onduleurs

I.6. ConclusionDans ce chapitre, nous avons présenté une définition générale sur les onduleurs

monophasés, sa constitution physique élémentaire, son fonctionnement, leurs

applications et nous avons présenté quelques techniques de commande.

Le fonctionnement de ces onduleurs peut être sujette à des problèmes soient au

niveau de la structure (les semi-conducteurs) soit au niveau de la commande (les signaux de

commutation), la sureté de fonctionnement est une nécessité importante pour les

applications exigeantes. Le prochain chapitre, fera le point sur ces problèmes.

Chapitre II

Continuité de service desconvertisseurs monophasés

Chapitre 2

II.1. IntroductionDans ce chapitre, nous allons discuter les différentes méthodes permettant de

détecter rapidement les défauts éventuels des semi-conducteurs des onduleurs de tensions.

II.2. Convertisseurs à structure tension tolérant les défauts de semi-conducteurs

Comme tout système électrique, les causes de défaillance des composants et

de dysfonctionnement des différents étages de conversion sont nombreuses et très

dépendantes de l'application. Mis à part les erreurs de conception et des choix qui en

découlent (technologies, calibres des composants), la défaillance interne d'un convertisseur

est la résultante de l'application d'une contrainte excessive sur une zone de fragilité des

composants constitutifs. Les causes qui amènent, à un moment donné, sont divisées en deux

catégories :

Soit d'origine interne : impliquant le fonctionnement propre du convertisseur (il s'agitalors d'un problème de fiabilité de l'électronique de puissance et de sa commande,de la chaine de commande des interrupteurs ou du vieillissement des assemblages)

Soit d'origine externe : impliquant les sources environnantes (tension d'alimentationinsuffisamment filtrée, réseau de connexion pollué, refroidissement insuffisant) oud'une charge défaillante (surcharge prolongée, surintensité voire court-circuit, pertesd'isolement à la terre ou à la masse).

II.3. étude statistiqueLes retours d'expérience terrain sont précieux à ce niveau pour tenter de

classifier et surtout établir des statistiques sur l'origine des dysfonctionnements, Bien que

largement pratiquées par les grandes firmes industrielles du domaine. Ces références nous

apprennent que 90% des défaillances sont d'origine interne au convertisseur, 50%

proviendraient de la chaine de commande, 40% de la chaine de puissance, contre seulement

10% externes au convertisseur, à imputer à la charge et à l'alimentation [4].

L'expérience montre que la défaillance se traduit par un état transitoire anormal d'au

moins un interrupteur de puissance, un régime électrique et thermique extrême de défaut

Chapitre 2

et un état permanent en basse impédance de cet interrupteur ou de son homologue dans

une cellule de commutation Figue II.1.a. [4].

En raison de leur faible volume et de par leur limite en température assez restreinte,

les composants semi-conducteurs sont clairement les éléments les moins robustes et donc

les plus fragiles en termes de densité de puissance admissible et d'énergie d'absorption par

rapport aux autres technologies de composants (passifs, inductances et condensateurs). Ce

mode de défaillance en basse résistance est typique des puces de puissance sur lesquelles

une contrainte extrême a été appliquée car il correspond simplement à la forte densification

d'un courant de fuite, d'un courant de court-circuit ou d'avalanche sur une zone plus ou

moins homogène de silicium donnant lieu à l'emballement thermique de la puce (quelques

dizaine de μs) Figue II.1.b.

Figue II.1.b. défaut dans un interrupteur

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Chapitre 2













Page 22

Chapitre 2













Chapitre 2

Figue II.1 : modes de défaillance d’un bras d’un onduleur

II.4. Sécurisation et tolérance de panne en onduleur monophasé

Partant des scénarios de défaillances internes principaux présentés dans le

paragraphe précédent, nous allons ici définir la structure et le fonctionnement des dispositifs

d'isolement à inséré pour sécuriser une cellule élémentaire au sein de l'onduleur

monophasé. Cette "première" opération d'isolement électrique sera également analysée du

point de vue de sa compatibilité avec une "deuxième" fonction de connexion secourt

obtenue simplement par un point milieu actif sur le bus DC et/ou par un bras de secours en

redondance parallèle.II.4. 1. Structures de connexion secoursCette structure (figure II.2) comporte un bras supplémentaire destiné à remplacer

le bras défectueux en cas de défaillance. Pour cette topologie et après

reconfiguration, le fonctionnement du convertisseur reste inchangé car le convertisseur à la

même topologie après reconfiguration qu’avant l’apparition du défaut.

Page 23

Chapitre 2













Page 23

Chapitre 2













Chapitre 2

Figure II.2 : structure du bras supplémentaireII.4. 2. Méthode de fonctionnementLorsque le semi-conducteur (S1) est défaillant, l’apparition du défaut est détectée.

Le bras défectueux doit alors être rapidement isolé.

Si le défaut détecté est circuit-ouvert ou court-circuit, l'isolation du bras défaillant est

réalisée par la mise à ‘0’ des ordres de commande des deux interrupteurs de ce bras.

Après la détection du défaut et l’isolation du bras défaillant, un module de

reconfiguration commande à la fermeture l’interrupteur bidirectionnel en tension et en

courant Tk connecté au bras k défectueux. La fermeture de cet interrupteur permet de

relier la phase défectueuse au point milieu du bras redondant

En résumé, en cas d’apparition d’un défaut au niveau du bras, la continuité de service

est réalisée selon les étapes suivantes:

1. Détection du bras défectueux2. Mise à ‘0’ des ordres de commande des deux interrupteurs de ce bras défectueux3. Commande à la fermeture de l’interrupteur bidirectionnel Tk4. application des ordres de commande des interrupteurs du bras défectueux aux deux

interrupteurs du bras redondant

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Chapitre 2













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Chapitre 2













Chapitre 2

II.5. Détection de défaut au niveau d’un semi-conducteur à partir de latension

Cette méthode est basée sur la comparaison entre la tension Vko mesurées et

estimées, respectivement notées Vkom et Vkoes. La tension vko estimée est obtenue à partir

de la relation :

Vkoes = (2δk – 1)Vs

Où δk = 0, 1 représente l’ordre de commande envoyé à l’interrupteur Sk du haut du

bras k.

Le défaut éventuel peut alors être détecté par l'analyse de la différence entre vkom et

vkoes. Cette erreur de tension est donc définie par :

εk = vkom - vkoesII.5.1. Défaut de type "circuit-ouvert"Dans cette section, nous considérons un défaut de type "circuit-ouvert" du bras k,

suite à une défaillance au niveau de l’interrupteur Sk bloqué à l’état ouvert. Un défaut

de type "circuit-ouvert" réduit la phase k du système, la tension mesurée Vkom et l’erreur

de tension ε dépend du courant ik et de l’ordre de commande de Sk. Deux cas doivent être

considérés lors de l'analyse théorique du fonctionnement de la phase k du convertisseur lors

d’un tel défaut. Dans le premier cas, ik est considéré positif et dans le second, il est

considéré comme négatif.

La tension estimée Vkoes ne dépend que de l’ordre de commande δk et de Vc

L’expression de la tension mesurée Vkom dépend quant à elle du signe du courant si ik

>0 lors de l’apparition du défaut de type "circuit-ouvert" alors que Sk conduisait, la diode

Dk+1 se met à conduire. La tension mesurée Vkom est donc égale à –vdc/2 quel que soit

l’ordre de commande δk.

Le tableau II-1 rassemble notamment les expressions analytiques de l’erreur de

tension ε

δk D k D K+1 V kom V koes Ε

1 Bloquée Passante -Vc Vc -2Vc

Chapitre 2

0 Bloquée Passante -Vc -Vc 0

Tableau II-1 : Etude d’un défaut de type "circuit-ouvert" au niveau du bras k lorsque ik

>0

Si le défaut se produit au niveau de l’interrupteur Sk lorsque ik <0 l’expression de

la tension mesurée Vkom dépend de l’ordre de commande δk

δk = 0 et δk+1 = 1

δk = 1 et δk+1 = 0

Le tableau II-3 rassemble notamment les expressions analytiques de l’erreur de

tension ε.

δk D k D K+1 V kom V koes Ε

1 Passante Bloquée Vc Vc 0

0 Bloquée bloquée -Vc -Vc 0

Tableau II-1 : Etude d’un défaut de type "circuit-ouvert" au niveau du bras k

lorsque ik <0II.5.2. Défaut de type "court-circuit"Dans cette section, on considère un défaut de type "court-circuit" du bras k dû à

une défaillance au niveau de l’interrupteur Sk du haut du bras k, bloqué à l’état fermé. Ce

défaut réduit la phase k du système, selon la topologie d’onduleur "fault tolerant"

considérée (topologies avec bras redondant). Le tableau II-5 rassemble les expressions

analytiques de l’erreur de tension ε juste après l'apparition du défaut, en fonction de la

valeur de δk.

Chapitre 2

δk Vkom Vkoes Ε

1 Vc Vc 0

0 0 -Vc Vc

Tableau II-5 : Cas d’un défaut de type "court-circuit" du bras k

II.5. Détection de défaut par un capteur de courantLes mesures des courants de phase ik sont classiquement réalisées à

l’aide de capteurs. Ces capteurs se composent principalement d’un élément sensible et de

circuit de conditionnement et de traitement du signal. On désignera avec un indice m un

courant mesuré afin de différencier clairement les courants réels des courants mesurés.

La valeur absolue du courant mesuré est comparée à un seuil. Par conséquent,

quand un défaut apparaît au niveau d’un bras d’onduleur, la sortie de ce comparateur,

notée idéf, devient égale à 1. Le choix de la valeur du seuil Is dépend de la précision de la

prédiction des courants et doit être supérieure à l'erreur maximale entre les courants

mesurés et les courants prédits

II.6. ConclusionDans ce chapitre, nous avons proposé des méthodes permettant de

détecter, d’identifier et de compenser le défaut éventuel d’un semi-conducteur dans un bras

d’onduleur monophasé. Les méthodes proposées détectent l’apparition du défaut

concerné et identifient le composant défectueux. Ensuite, les modules de

compensation modifient la structure du convertisseur ou le choix des capteurs de

courant utilisés selon la nature du défaut. Ces modifications apportent des degrés de

liberté supplémentaires pour permettre au convertisseur de fonctionner en mode normal,

même en présence de défaut.

Les analyses effectuées dans la partie concernant la tolérance des défauts des

semi-conducteurs ont montré que la méthode proposée peut réduire considérablement

le temps de détection par rapport aux autres méthodes.

Chapitre III

Description

sur la carte ARDUINO et la

commande numérique

Chapitre 3

III 1. IntroductionEn électronique de puissance, on utilise de plus en plus des convertisseurs

utilisant des interrupteurs électroniques fonctionnant soit à l’état passant (ou fermé),

soit à l’état bloqué (ou ouvert). Le passage d’un état à l’autre s’effectue périodiquement.

Les améliorations apportées à l’onduleur se situent essentiellement au niveau de la

commande, avec tout d’abord, la génération d’une onde purement sinusoïdale, mais

également la surveillance de la tension d’entrée et de la tension de sortie, Dans ce passage

on a besoin d’un générateur ou transmetteur de signal. C’est ainsi que l’on expose les

commandes des convertisseurs à partir d’un composant analogique (amplificateur

opérationnel) appeler commande analogique ou commande à base d’un (PIC,

ARDUINO, DSP ou FPGA) appeler commande numérique. On obtient ainsi les signaux qui

vont aller vers les composants de puissance.

On va utiliser dans ce projet une carte ARDUINO de type mega 2560 pour générer

des signaux de commande

III 2. Types de commandeIII 2. 1. Commande analogiqueEn première étude, il est nécessaire d’élaborer un signal (ou plusieurs signaux) de

commande pour agir sur les interrupteurs. Il s’agit le plus souvent de créer des fonctions,

triangulaire symétrique, triangulaires asymétriques ou « dents de scie » ou même

triangulaires asymétriques décalées par un montage électronique. Ces fonctions sont

obtenues sous forme de tension, Ce signal de commande est alors analogique. On fait très

souvent appel à des amplificateurs opérationnels.

On rappelle le cas considéré à la figure III 1 :

Chapitre 3

Figure III 1 : génération d’une forme d’onde impulsionnelleIII 2. 2. Commande numériqueLa commande numérique permet également la réalisation de signaux de

commande de manière plus fiable qu’avec des montages utilisant l’électronique analogique.

Elle fait appel à des circuits intégrés programmables. Elle doit aussi inclure des « entrées »

de contrôle (Courant, Tension et de Vitesse, …) sous forme de signal logique ou numérique,

pour protéger le système commandé (Figure .III.2). On distingue deux types de circuits

programmables :

Les circuits utilisant des processeurs tels que microcontrôleur, le PIC (ProgrammableInterrupt Controler) ou le DSP (Digital Signal Processor) ou une carte ARDUINO. Cequi caractérise ces circuits, c’est que la programmation s’effectue soit enlangage assembleur, soit en langage « C ». L’architecture de ces composants étantdéjà réalisée par le constructeur, on ne peut que modifier le programme pouradapter le composant à la commande souhaitée du convertisseur de puissance.

Les circuits intégrés directement programmables de type FPGA (Field ProgrammableGate Array). Ce qui caractérise ces circuits, c’est que la programmations’effectue généralement en langage VHDL (Very High Density Language). L’utilisateur« construit » lui-même l’architecture de son composant en prévoyant lesfonctions de commande et de contrôle souhaitées.

Chapitre 3

Figure .III.2 : principe de la commande numérique

III 3. Description sur la carte ARDUINOArduino est une plate-forme de prototypage d'objets interactifs à usage créatif

constituée d'une carte électronique et d'un environnement de programmation. Sans

tout connaître ni tout comprendre de l'électronique, cet environnement matériel et logiciel

permet à l'utilisateur de formuler ses projets par l'expérimentation directe avec l'aide de

nombreuses ressources disponibles en ligne. Pont tendu entre le monde réel et le

monde numérique, Arduino permet d'étendre les capacités de relations

humain/machine ou environnement/machine. Arduino est un projet en source ouverte : la

communauté importante d'utilisateurs et de concepteurs permet à chacun de trouver les

réponses à ses questions. Des dizaines de milliers d'artistes, de designers, d'ingénieurs, de

chercheurs, d'enseignants et même d'entreprises l'utilisent pour réaliser des projets

incroyables dans de multiples domaines:

prototypage rapide de projets innovants utilisant l'électronique. captation et analyse de données scientifiques. installations d'arts numériques. projets pédagogiques.III 3.1. Partie matérielle

La carte Arduino repose sur un circuit intégré (un miniordinateur appelé

également microcontrôleur) associée à des entrées et sorties qui permettent à l'utilisateur

de brancher différents types d'éléments externes :

Côté entrées, des capteurs qui collectent des informations sur leurenvironnement comme la variation de température via une sonde thermique, lemouvement via un détecteur de présence ou un accéléromètre, le contact via unbouton-poussoir, etc.

Chapitre 3

Côté sorties, des actionneurs qui agissent sur le monde physique telle une petitelampe qui produit de la lumière, un moteur qui actionne un bras articulé, etc.

Comme le logiciel Arduino, le circuit électronique de cette plaquette est libre et ses

plans sont disponibles sur internet. On peut donc les étudier et créer des dérivées. Plusieurs

constructeurs proposent ainsi différents modèles de circuits électroniques programmables

et utilisables avec le logiciel Arduino.

Il existe plusieurs variétés de cartes Arduino UNO, DUE et MEGA chaque une a

des caractéristiques spécifiquesIII 3.2. Partie logicielleL'environnement de programmation ARDUINO (IDE en anglais) est une

application écrite en Java, dérivée du langage Processing. L’IDE permet d'écrire et de

modifier les codes et les convertir en une série d'instructions compréhensibles par la

carte. On y retrouve les éléments de la fenêtre de travail de Processing : intitulés des

menus, boutons, zone d'édition, console, etc. comme dans Processing, le programme est

constitué d'une série d'instructions saisie dans la fenêtre du logiciel.

Le programme qui envoyé vers la carte ARDUINO est enregistré de manière

permanente, ce programme est activé à chaque fois que l'on alimente la carte.

III 4. La carte ARDUINO megaLe modèle Mega Arduino est une carte microcontrôleur basée sur l’ATmega2560. Il

dispose de 54 broches numériques d'entrée / sortie (dont 14 peuvent être utilisées comme

sorties PWM), 16 entrées analogiques, 4 UART (ports série matériels), un oscillateur en

cristal de 16 MHz, d'une connexion USB, une prise d'alimentation, d'une embase ICSP, et un

bouton de réinitialisation. Il contient tout le nécessaire pour soutenir le microcontrôleur

suffit de le brancher à un ordinateur avec un câble USB ou de la puissance avec un

adaptateur ou la batterie AC -DC pour commencer. Le Mega est compatible avec la plupart

des blindages conçus pour l'Arduino Duemilanove ou Diecimila.

Chapitre 3

Figure .III.3 modèle de l’ARDUINO MEGA

Programmables via un langage proche du "C" (disponible en libre téléchargement), les

modules Arduino peuvent fonctionner de façon autonome ou en communicant avec un

logiciel "tournant" sur un ordinateur (Flash, MaxMSP...).

Les modules arduino sont des plate-formes de prototypage microcontrôlées "open-

source" spécialement conçu pour les artistes, les concepteurs ou les hobistes.III 4.1. Les caractéristiques de la carte ARDUINO megaMicrocontrôleur ATmega2560

Tension de fonctionnement 5 V

Tension d'alimentation(recommandée)

7- 1 2 V

Tension d'alimentation (limites) 6 - 20V

Nombre d'E/S54 (dont 14 pouvant générer des

signaux PWM)

Nb ports"Analogique/Numérique"

16

Courant max. par E/S 40 mA

Courant pour broches 3.3 V 50 mA

Mémoire Flash256 KB (ATmega328) dont 8 KB utilisé par

le bootloader

SRAM 8 KB (ATmega328)

EEPROM 4 KB (ATmega328) Page 33

Chapitre 3









7- 1 2 V



signaux PWM)


16




le bootloader


EEPROM 4 KB (ATmega328) Page 33

Chapitre 3









7- 1 2 V



signaux PWM)


16




le bootloader


EEPROM 4 KB (ATmega328)

Chapitre 3

Vitesse horloge 16 MHzIII 4.2. La programmationComme on a signalé précédemment la programmation de la carte ARDUINO se fait à

partir d’un logiciel ARDUINO IDE via un langage proche du C ou C++

Figure .III.4 logiciel de programmation

Le programme est lu par le micro-contrôleur de haut vers le bas, une variable doit être

déclarée avant d'être utilisée par une fonction, la structure minimale est constituée :

– en tête : déclaration des variables, des constantes, indication de l'utilisation de

bibliothèques etc...

– un setup (= initialisation) cette partie n'est lue qu'une seule fois, elle comprend les

fonctions devant être réalisée au démarrage (utilisation des broches en entrées ou en sortie,

mise en marche du midi etc.....)

– une loop (boucle) : cette partie est lue en boucle ! C'est ici que les fonctions sont

réalisées.

Chapitre 3

En plus de cette structure minimale, on peut ajouter :

– des « sous-programmes » ou « routines » qui peuvent être appelées à tout moment

dans la boucle, très pratiqué pour réaliser des morceaux de codes répétitifs.

III 5. Création un signal MLI à partir de l’ARDUINOIII 5.1. Principe de créationCommande MLI ou PWM en anglais est une méthode très utilisée pour commander la

puissance de l'autre côté des charges. Cette méthode est très facile à mettre en œuvre et a

le rendement élevé. Signal PWM est essentiellement une onde carrée haute fréquence

(typiquement supérieure à 1 kHz). Le cycle d'utilisation de cette onde carrée est varié afin de

faire varier la puissance fournie à la charge. Le cycle est généralement indiqué en

pourcentage et il peut être exprimé par l'équation:

le cycle % Duty = ( TON / ( TON + TOFF ) ) * 100

Où TON est le temps pendant lequel l'onde carrée est en haute et TOFF est le temps

pendant lequel l'onde carrée est en basse. Où le cycle de droit est augmenté le pouvoir a

chuté à travers la charge augmentée et lorsque le cycle de service est réduit, la puissance à

travers la charge diminue. Le schéma de principe d'un système typique de commande de

puissance de PWM est représenté sur Figue III.1.

Figue III.5 : les cycles du signal PWM

Chapitre 3

III 5.2. La méthode de créationLa méthode de création un signal PWM dans l’ARDUINO est fondée sur la comparaison

entre un signal (dent de scie) et une valeur (OCRnk), le signal dent de scie est crée à partir

d’un compteur (à partir de l’opération incrémentation décrémentation le compteur fait un

signal dent de scie)

La valeur OCRnk est comparée à la valeur dans un compteur(TimerN). Lorsque le

compteur est inférieur à la valeur OCRnk, la broche en sortie un HAUT lorsque le compteur

est supérieur à la valeur OCRnk, la broche émet un signal BAS. Dans la figure ci-dessous, une

onde carrée est générée car la broche est HAUTE à partir des chiffres 0 à 127, et LOW à

partir des chiffres 128 à 255, il est donc élevé pour la même quantité de temps qu'il est

faible

Figure .III.6 les signaux de MLI

Dans notre projet nous allons générer 4 signaux de commande chaque Timer génère

un signal MLI par un OCR et l’inverse de ce signal par l’autre OCR Comme dans la figure

suivante :

Chapitre 3

Figure .III.7 le signal MLI et son inverse

III 6. ConclusionDans ce chapitre, nous avons exposé une description sur la carte ARDUINO MEGA

et comment l’utiliser et puis on a expliqué la technique de création un signal MLI à partir de

la carte ARDUINO.

Cette technique et réalisable grâce aux caractéristiques internes de cette carte et selon

l’utilisation, après l’écriture du programme final, on va réaliser le circuit de l’onduleur et

utiliser ce programme pour le commander, c’est ce que nous allons expliquer dans le

chapitre suivant.

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Chapitre 3




la carte ARDUINO.




chapitre suivant.

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Chapitre 3




la carte ARDUINO.




chapitre suivant.

Chapitre IV

Simulation et réalisation

pratique

Chapitre 4

IV.1. IntroductionLe nombre de contrôleurs numériques destinés au contrôle des systèmes de

conversion de l’énergie électrique ne cesse d'augmenter, de même que leur complexité. Par

conséquent, de plus en plus d'efforts sont consacrés à la conception, la vérification et la

simulation des ces contrôleurs numériques. Les récents progrès des technologies

numériques et des outils logiciels associés permettent de concevoir des contrôleurs

numériques intégrés de plus en plus complexes, compacts et à haute performance. Grâce

au dispositif dit ARDUINO actuellement disponibles, comme par exemples les composants

UNO, MEGA, NANO, Lilypad, ….. , des contrôleurs entièrement numériques peuvent être

réalisés. Ainsi, un contrôleur numérique, voire un système de commande, qui était

auparavant implanté sur une carte électronique, peut dorénavant être intégré sur une puce

unique, offrant l'avantage d'être compact et de supporter un très grand nombre de

traitements arithmétiques. De plus, l'utilisation de composants reconfigurables tels que les

ARDUINO, FPGA…., permet le développement et le prototypage rapide du contrôleur

numérique sans modification matérielle significative [7].

Dans ce chapitre, nous présenterons une méthode pratique de la réalisation

et la commande (on utilise un carte ARDUINO de type MEGA) d’un onduleur monophasé

avec un bras redondant et nous donnerons, un algorithme permet de basculer le

fonctionnement de l’onduleur.

IV.2. Simulation de l’onduleur par MATLABDans cette partie, nous allons utiliser le logiciel MATLAB pour faire la simulation

du montage onduleur monophasé et puis nous ajoutons le bras redondant et nous allons

vérifier l’algorithme final.

Le montage onduleur monophasé est composé de quatre interrupteurs identiques

comme on a signalé dans le chapitre 1.

On utilise la commande :

1. Décalée ou adjacente ou commande à 180°2. La commande MLI sinus-triangulaire (modulation de largeur d’impulsion)

Chapitre 4

IV.2.1. Schéma de montage

Figure IV.1 : onduleur monophasé sur MATLABIV.2.2. Résultats de simulationAprès la simulation du montage précédent on obtient les résultats suivants :

Figure IV.2 : l’allure du courant et la tension

Page 40

Chapitre 4




Page 40

Chapitre 4




Chapitre 4

IV.2.3. Commande MLIComme on a expliqué dans le chapitre 1 la commande MLI est une technique

réalisée par la comparaison entre deux ondes (onde de forme sinusoïdale et onde de forme

dent de scie). Après la réalisation de cette commande et l’utiliser dans notre montage, on

obtient les résultats suivants :

Figure IV.3 : le courant et la tension aux bornes de la

Charge

IV.2.4. Le fonctionnement de l’onduleur en présence d’un défaut CCNous allons créer un court-circuit permanent au niveau de l’interrupteur haut du bras

principal 1 et l’on utilise Matlab pour simuler ce défaut et voir le fonctionnement du courant

et de la tension aux bornes de la sortie de l’onduleur

Chapitre 4

Figure IV.4 : le courant et la tension de l’onduleur avant et après CCLorsque le défaut apparaît, le courant de la sortie de l’onduleur va augmenter

brusquement ce qui fait une destruction de l’interrupteur concerné de ce défaut et si l’on

ne le détecte pas et faire isolation de cette défiance l’interrupteur va exploser et puis tout le

bras ou le convertisseur

IV.2. Simulation de l’onduleur monophasé avec bras redondant parMATLAB

Nous nous rappelons qu’une nouvelle structure de redondance, mêlant un

dispositif d'isolement symétrique, passif et un couplage-aiguillage automatique vers un bras

de secours a été proposée au chapitre 2. Cette structure comprend une connexion

spontanée d'une redondance en série par les puces défaillantes elles-mêmes de très faibles

résistances (présentée dans la figure IV.4). Cette structure est initialement simulée sous le

logiciel MATLAB.

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Chapitre 4











logiciel MATLAB.

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Chapitre 4











logiciel MATLAB.

Chapitre 4

Figure IV.5 : structure avec bras redondant

On a expliqué l’algorithme de fonctionnement en détaille au chapitre 2 et on a signalé

que le bras redondant destiné à remplacer le bras défectueux en cas de défaillance, la

stratégie de commande est résumée comme suit.

Après la détection du défaut :

5. Mise à ‘0’ des ordres de commande des deux interrupteurs de bras 16. Commande à la fermeture de l’interrupteur bidirectionnel Tk7. application des ordres de commande des interrupteurs du bras défectueux aux deux


TK : interrupteur bidirectionnel en courant et en tension généralement on utilise le triac.

Après l’exécution on obtient les résultats suivants :

Figure IV.6 : la tension aux bornes de la charge Page 43

Chapitre 4










Figure IV.6 : la tension aux bornes de la charge Page 43

Chapitre 4










Figure IV.6 : la tension aux bornes de la charge

Chapitre 4

Figure IV.7 : le courant et la tension de la sortie

Fig5 et Fig6 présentent les séquences fonctionnelles d’un onduleur avec bras

redondant : l’état normal, déconnecté du bras 1(les deux IGBTs sont mise à 0, l’amorçage du

bras redondant. On voit que le courant va augmenter (sens négatif) quand le bras 1 est mis

à 0 (l’effet du défaut) et puis quand le bras redondant amorce le courant va diminuer et

reprendre son état normal.

IV.3. Réalisation de l’onduleur monophasé avec bras redondantL’essor de notre réalisation pratique est basé sur une connaissance théorique

préalable qui permet de composer les différents circuits à partir d’une expérimentation de

test. D’après les deux chapitres précédents, on a pu avoir une idée sur le principe de

fonctionnement de l’onduleur monophasé et la commande numérique et après la phase de

simulation précédente, on a vu le comportement de l’onduleur et l’algorithme de

fonctionnement.

Dans ce dernier chapitre, on va observer les différentes étapes de différentes

parties de l’onduleur avec des multiples essais et pour cela on utilise un logiciel pratique ISIS

Proteus 8 pour faire le circuit imprimé.IV.3.1. La structure de l’onduleurL’onduleur réalisé est constitué de trois parties

a. la carte de commande (ARDUINO MEGA)

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Chapitre 4












fonctionnement.





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Chapitre 4












fonctionnement.





Chapitre 4

b. la partie de commande rapprochée et circuit de protectionc. la partie de puissanceIV.3.1.a. La carte de commande (génération des signaux)

Nous avons vu dans le chapitre 2 une description sur la carte ARDUINO MEGA et

comment l’utiliser pour générer un signal numérique maintenant nous allons utiliser ce

principe pour générer quatre signaux MLI (modulation de largeur d’impulsion) de telle sorte

que chaque signal commande un interrupteur MOSFET. À l’aide des caractéristiques de la

carte ARDUINO la fréquence des signaux est convenable.

Figure IV.8 : les signaux générés par la carte ARDUINOIV.3.1.b. La partie commande rapprochéeLe signal généré par la carte ARDUINO est de type 5V logique donc il faut faire

isolation entre la carte de commande et le reste de circuit (drivers et la partie puissance)

pour cela on utilise des optocouplers ou opto-isolateur.

Figure IV.9 : schéma fonctionnel d’un onduleur

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Chapitre 4











Page 45

Chapitre 4











Chapitre 4

IV.3.1.b.1. Circuit d’isolationLe problème de circuit de commande rapproché réside dans l’isolation

galvanique de toutes ses fonctions. La position du semi-conducteur impose souvent des

potentiels flottants, et la plupart du temps, il doit être isolé galvaniquement.

Notre circuit comporte trois optocouplers (le troisième pour le bras redondant) ces

optocouplers de type TPL2630 est un optocoupler capable de supporter des hautes

fréquences (>4kHz) suffisantes pour la commande MLI.

Figure IV.10 : optocoupler TPL2630IV.3.1.b.2. Circuit de commande des MOSFETs (driver)Le Driver est un circuit intégré permet de piloter en haute fréquence 2 MOSFET du

même bras, sous une tension pout atteindre à 600v, en garantissant l'isolation

électrique de chaque étage.

Dans notre projet, nous allons utiliser un Driver de type IR2113 « High voltage high

and low side driver » disponible au laboratoire.

Figure IV.11 : schéma de connexion Driver MOSFETs

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Chapitre 4













Page 46

Chapitre 4













Chapitre 4

L’alimentation de la logique de commande de ces transistors est réalisée par

une technique dite « bootstrap » : l’électronique de commande des transistors MOSFETs

de puissance du haut est alimentée par les condensateurs C1-1 ( Figure IV.11 ) dont la

recharge est assurée par l’alimentation 15V pendant le temps où le transistor du bas

conduit, ce condensateur étant ensuite déconnecté pour servir d’alimentation

autonome lorsque le transistor du haut et son électronique de commande se trouvent

portés au potentiel haut de la source.

Dans ce montage, les condensateurs C (1-2) et C1 assurent le filtrage des

alimentations, VCC et VB. La tension VCC doit être comprise entre 10v et 20v, la tension VDD

entre 4,5v et 20v. L'alimentation VB est obtenue à partir de VCC, par charge de C1-1 à

travers D1 lorsque Q2 est saturé.

Le temps mort crée par le Driver est 100ns, pour des faibles courants on peut voir la

conduction des transistors mais il y a un risque de court-circuiter la source par

l’augmentation du courant, pour cela on va créer un temps mort suffisant pour protéger

notre circuit (Figure IV.12).

Figure IV.12 : signaux sortent du DriverIV.3.1.b.3. Création du temps mortLe temps mort c’est le retard entre le blocage d’un interrupteur et l’amorçage de

l’autre du même bras.

Chapitre 4

Du fait, le temps mort qui nous avons le besoin est créé au niveau de la carte de

commande (ARDUINO), on a signalé dans le chapitre 3 que la carte ARDUINO permet de

générer deux signaux MLI (PWM) de telle sorte que le deuxième signal était l’inverse du

premier.

Le temps mort crée par la carte de commande entre deux signaux est suffisant

Pour commander les MOSFETs de notre onduleur (>4us)

Figure IV.13 Le temps mort entre deux signauxIV.3.1.c. La partie puissanceIl se compose d’une alimentation continue et de trois bras(deux bras principaux

et bras redondant), chacun contient deux transistors MOSFET de type IRFP470 (HEXFETs

from International Rectifier) et des diodes rapides de type A3006P pour assurer la

circulation du courant inverse (diode de roue libre)

Figure IV.14 La partie puissance dans ISIS

Chapitre 4

Ces MOSFETs capables de supporter une tension de 500V et un courant jusqu’à 20A

(voire l’annexe), on a placé une résistance 20Ω avant chaque drain du MOSFET pour le

protéger contre les chutes de tension

Le troisième bras est le bras redondant pour remplacer le bras défectueux comme on a

signalé précédemment et le composant U7 (triac) est un interrupteur bidirectionnel en

courant et en tension pour assurer la liaison entre le bras redondant et le bras sain

IV.4 La partie pratiqueNotre réalisation ce passe par plusieurs étapes :

Simulation de circuit sous l’environnement ISIS Création de circuit imprimé sous l’environnement ARES

Impression de la carte et emplacement des composantsIV.4.1 circuit impriméOn utilise le logiciel isis pour dessiner le schéma du circuit de l’onduleur et puis

On utilise ARES pour faire le circuit imprimé comme dans la figure suivante

Figure IV.15 : circuit imprimé

Chapitre 4

IV.5. impression du circuit et construire la carte finale

Figure IV.16 : l’onduleur réalisé

IV.5. ConclusionNous avons présenté dans cette partie la méthode pratique de la réalisation d’un

onduleur monophasé avec bras redondant et ses étapes (la conception du montage

pratique et le circuit final) et nous avons montré les déférentes parties de cet onduleur.

La carte de commande utilisée dans cette partie c’est ARDUINO Mega 2560

programmée à partir d’un logiciel ArduinoC, cette carte crée un six signaux MLI avec un

temps mort réglable pour commander les MOSFETs du convertisseur.

Conclusion générale

Ce mémoire constitue une contribution exploratoire au thème de la sûreté de

fonctionnement des convertisseurs et des systèmes de conversion électroniques de

puissance. De par la mutation au "plus électrique" que nous connaissons depuis quelques

années dans les domaines des transports et des systèmes embarqués entre autres, les

approches habituelles de haute fiabilité considérées au niveau des composants de puissance

seul doivent être complétées à l'avenir par une approche plus globale visant à sécuriser et à

rendre plus disponible tout convertisseur sur une défaillance interne.

La direction que nous proposons dans ce mémoire est tout autre puisqu'elle vise à

porter cet effort de conception de la sûreté de fonctionnement plus en amont et plus

circonscrite à l'échelle même des cellules de commutation et des structures génériques de

conversion. Par des approches croisées portant sur les circuits de commutation et la

technologie des composants, nous avons proposé un certain nombre d'idées simples et des

amorces de ruptures technologiques visant à réaliser de véritables convertisseurs génériques

intrinsèquement sécurisés et à tolérance de pannes, à coût technologique et complexité

maîtrisé.

Les tests des différents modules du système sont effectués séparément soit en

simulation soit en pratique. A ce propos certain outils logiciel que nous avons utilisé dans

note travail et qui ont été d’une importance capitale à savoir : Proteus ISIS, ARES, MATLAB.

Références bibliographiques[1] : Shahram KARIMI « Continuité de service des convertisseurs triphasés de puissance et

prototypage "FPGA in the loop": application au filtre actif parallèle »

[2] : M. Zhifeng DOU « Sûreté de fonctionnement des convertisseurs Nouvelles structures de

redondances pour onduleurs sécurisés à tolérance de pannes ».[3] : Ken Shirriff “ Secrets of Arduino PWM”[4] : TAHAR TALBI « CONCEPTION ET REALISATION D’UN ONDULEUR DE TENSION TRIPHASE

COMMANDE PAR UNE CARTE ARDUINO »

[5] : Muhammad H.Rachid. “Power Electronics, circuits, devices, and applications ’’, Prentice

Hall, Englewood CMs, New Jersey 1993”

[6] : C. Canudas. de Wit, « Modélisation, Contrôle vectoriel et DTC. Commande des moteurs

asynchrones’’ Editions Hermès ».

[7] : Onduleur de tension. «Mise en œuvre et Structures-principes applications. Techniques

d 'ingénieur».

[8] : Michel Pinard. ’’CONVERTISSEURS ET ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE Commande ’’,

Description Mise en œuvre, Applications avec LabVIEW, avril 2007

[9] : SOUHEIL SLIM « SYNTHÈSE D'UNE NOUVELLE STRUCTURE D'ONDULEUR MONOPHASÉ À

BRAS RÉSONNANT: PROCÉDURE DE CONCEPTION OPTIMALE ET ÉV ALUATION DES

PERFORMANCES »

[10] : Arduino Mega 2560 Datasheet

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